DE10224164A1

DE10224164A1 - Eine zweidimensionale Struktur zum Bestimmen einer Überlagerungsgenauigkeit mittels Streuungsmessung

Info

Publication number: DE10224164A1
Application number: DE10224164A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schulz
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: US20030224261A1; DE10224164B4; US7099010B2

Abstract

Ein zweidimensionales periodisches Muster, das in Bezug auf eine erste und eine zweite Richtung symmetrisch ist, erlaubt das Bestimmen einer Überlagerungsgenauigkeit, die während der Herstellung der zweidimensionalen Struktur erzielt wird. Aufgrund der Symmetrie der Struktur kann die Überlagerungsgenauigkeit in der ersten Richtung auf der Grundlage im Wesentlichen der gleichen Referenzdaten bestimmt werden, die für die Bestimmung der Überlagerungsgenauigkeit der zweiten Richtung verwendet werden, so dass das Einrichten von Bibliotheken vereinfacht ist. Ferner kann abhängig von der Leistungsfähigkeit des Messgeräts die Überlagerungsgenauigkeit in beiden Richtungen gleichzeitig ermittelt werden.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Struktur zum Abschätzen einer Überlagerungsgenauigkeit, die bei der Ausbildung aufeinanderfolgender Materialschichten, wobei die Ausrichtung der aufeinanderfolgenden Materialschichten zueinander erforderlich ist, erhalten wird.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Die Herstellung integrierter Schaltungen erfordert, dass kleine Gebiete mit präzise kontrollierter Größe in einer Materialschicht auf einem geeigneten Substrat, typischerweise einem Siliziumsubstrat, gebildet werden. Diese kleinen Gebiete mit präzise kontrollierter Größe werden durch Strukturieren der Materialschicht mittels bekannter Fotolithografie- und Ätzprozesse erzeugt, wobei eine Maskenschicht über der zu behandelnden Materialschicht gebildet ist, um diese kleinen Gebiete zu definieren. Im Allgemeinen kann eine Maskenschicht bestehen aus oder gebildet sein mittels einer Schicht aus Fotolack, die mittels eines lithografischen Vorganges strukturiert wird. Während des lithografischen Vorganges kann der Fotolack auf die Scheibenoberfläche aufgeschleudert und anschließend selektiv mit Ultraviolettstrahlung belichtet werden. Nach der Entwicklung des Fotolacks werden, abhängig von der Art des Fotolacks - Positivlack oder Negativlack - die belichteten Bereiche oder die nicht belichteten Bereiche entfernt, um das erforderliche Muster in der Fotolackschicht zu bilden. Da die Abmessungen der Muster in technologisch weit entwickelten integrierten Schaltungen ständig abnehmen, müssen die Anlagen zur Strukturierung von Bauteilelementen sehr strenge Auflagen hinsichtlich der Auflösungs- und Überlagerungsgenauigkeit der beteiligten Herstellungsprozesse erfüllen. In diesem Zusammenhang wird die Auflösung als ein Maß betrachtet, das die konsistente Fähigkeit, Bilder mit minimaler Größe unter gegebenen Bedingungen mit vordefinierten Herstellungsschwankungen abzubilden, spezifiziert. Ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Auflösung wird durch den lithografischen Vorgang repräsentiert, in dem Muster, die in einer Fotomaske oder Retikel enthalten sind, optisch auf das Substrat mittels eines optischen Abbildungssystems übertragen werden. Es werden daher große Anstrengungen unternommen, um die optischen Eigenschaften des lithografischen Systems, etwa die numerische Apertur, die Fokustiefe und die Wellenlänge des verwendeten Lichts, zu verbessern.

Die Qualität der lithografischen Abbildung ist äußerst wichtig bei der Erzeugung sehr kleiner Strukturgrößen. Von mindestens vergleichbarer Wichtigkeit ist jedoch auch die Genauigkeit, mit der ein Bild auf der Oberfläche des Substrats positionierbar ist. Integrierte Schaltungen werden durch sequentielles Strukturieren von Materialschichten hergestellt, wobei Elemente in aufeinanderfolgenden Materialschichten eine räumliche Beziehung zueinander aufweisen. Jedes Muster, das in einer nachfolgenden Materialschicht gebildet wird, muss mit einem entsprechenden Muster, das in der zuvor strukturierten Materialschicht gebildet ist, innerhalb spezifizierter Justiertoleranzen ausgerichtet sein. Diese Justiertoleranzen werden beispielsweise durch eine Variation eines Fotolackbildes auf dem Substrat aufgrund von Nichtgleichförmigkeiten von Parametern, etwa der Lackdicke, der Ausbacktemperatur, der Belichtung und der Entwicklung, hervorgerufen. Ferner können Ungleichförmigkeiten der Ätzvorgänge ebenso zu Variationen der geätzten Elemente führen. Des weiteren gibt es eine gewisse Unsicherheit bei der Überlagerung des Bildes des Musters der aktuellen Materialschicht zu dem geätzten Muster der zuvor geformten Materialschicht, während das Bild fotolithografisch auf das Substrat übertragen wird. Diverse Faktoren bestimmen die Fähigkeit des Abbildungssystems, zwei Schichten in äußerst präziser Weise zu überlagern, etwa Ungenauigkeiten innerhalb eines Maskensatzes, Temperaturdifferenzen an den unterschiedlichen Belichtungszeiten und ein begrenztes Justiervermögen der Justieranlage. Folglich sind die dominierenden Kriterien, die die minimale Strukturgröße, die letztlich erreichbar ist, bestimmen, die Auflösung zum Erzeugen von Elementen in einzelnen Substratschichten und der Gesamtüberlagerungsfehler, zu dem die zuvor erläuterten Faktoren, insbesondere der lithografische Prozess, beitragen.

Es ist daher wichtig, die Auflösung, d. h. die Fähigkeit des zuverlässigen und reproduzierbaren Erzeugens der minimalen Strukturgröße, die auch als kritische Dimension (CD) innerhalb einer spezifizierten Materialschicht bezeichnet wird, zu überwachen und ständig die Überlagerungsgenauigkeit von Mustern von Materialschichten zu bestimmen, die sukzessive gebildet werden und die zueinander justiert werden müssen. In jüngster Zeit wurde die Streuungsmessung ein wichtiges Hilfsmittel bei der Bestimmung periodischer Muster von Elementen mit einer Größe im Bereich von 1 µm bis 0.1 µm und darunter. Beim Analysieren eines Substrats mittels der Streuungsmessung wird das Substrat, das eine periodische Struktur enthält, mit Strahlung eines geeigneten Wellenlängenbereichs beleuchtet, und das gebeugte Licht wird detektiert, um Messspektren zu erhalten, aus denen Informationen über die periodische Struktur herausgelöst werden. Es können viele Arten von Vorrichtungen zur Beleuchtung und Detektierung des gebeugten Lichtstrahls verwendet werden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 5867276 einen sogenannten Zwei-θ-Streuungsmesser, wobei der Einfallswinkel eines Lichtstrahls kontinuierlich durch synchrones Drehen der Probe und des Detektors variiert wird. Des weiteren beschreibt dieses Dokument ein Streuungsmessersystem mit einem rotierenden Block, um einen von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl auf unterschiedliche Punkte einer Eingangsblende einer Linse zu lenken, um das Substrat mit unterschiedlichen Einfallswinkeln zu beleuchten. Dieses Dokument beschreibt ferner einen Streuungsmesser mit einem festen Einfallswinkel, der eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen verwendet, um die erforderliche Information aus dem gebeugten Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängen zu erhalten. Aus dieser in dem Messspektrum enthaltenen Information können dann die optischen und dimensionalen Eigenschaften der einzelnen Elemente, die die periodische Struktur bilden, und die Dicke darunter liegender Schichten beispielsweise mittels statistischer Verfahren ermittelt werden. Zu den interessierenden Probenparametern können die Linienbreiten, wenn das periodische Muster Linien und Abstände enthält, der Seitenwandwinkel, und andere strukturelle Details gehören. Im Falle einer komplexeren periodischen Struktur mit beispielsweise einer zweidimensionalen Periodizität können zu den Parametern die dimensionalen Eigenschaften, etwa ein Lochdurchmesser oder eine Lochtiefe, gehören.

Häufig werden Messanlagen, etwa ein Ellipsometer und dergleichen, als "Streuungsmesser" verwendet, die einen im Wesentlichen linear polarisierten Lichtstrahl aussenden, wobei die strukturelle Information dann auf der Grundlage von Änderungen des Polarisationszustandes des von der periodischen Struktur gestreuten Lichtstrahls gewonnen werden kann. Obwohl die Streuungsmessung sich als ein vielversprechender Kandidat bei der Bestimmung struktureller Eigenschaften von periodischen Strukturen erwiesen hat, erfordert das Anwenden der Strukturmessung für Überlagerungsmessungen das Bereitstellen speziell gestalteter Überlagerungsmuster sowie das Erzeugen entsprechender Referenzdaten, um die geforderte Information zu gewinnen. Insbesondere das Ermitteln der Referenzdaten kann eine komplexe und mühevolle Prozedur sein, da die Antwort einer periodischen Struktur theoretisch von den grundlegenden Gleichungen (Maxwell Gleichungen) abgeleitet wird. Für gewöhnlich werden Referenzdaten für eine spezifizierte Art von periodischer Struktur oder eine Überlagerungsstruktur für eine Vielzahl unterschiedlicher Parameterwerte berechnet und anschließend in einer sogenannten Bibliothek gespeichert. Die Messdaten werden dann mit den Daten der Bibliothek verglichen, um die erforderliche Information herauszulösen. Da im Allgemeinen ein Muster zur Messung einer Überlagerungsgenauigkeit komplexer als ein periodisches Muster zum Bestimmen, beispielsweise kritischer Dimensionen, ist, ist ein hoher Aufwand erforderlich, um eine entsprechende Überlagerungsbibliothek zu erzeugen. Ein weiteres Kriterium bei der Bestimmung der Überlagerungsgenauigkeit ist die Fläche, die entsprechende Überlagerungsstrukturen auf dem Substrat einnehmen. Da die Chipfläche sehr wertvoll ist, wäre es äußerst wünschenswert, die Überlagerungsgenauigkeit in effizienter Weise zu bestimmen, ohne ungebührlich Chipfläche zu vergeuden.

Angesichts der oben genannten Probleme besteht daher ein Bedarf für eine Verbesserung der Technik zum Bestimmen der Überlagerungsgenauigkeit, um damit den Messvorgang zu vereinfachen und/oder die von der entsprechenden Strukturen eingenommene, erforderliche Chipfläche zu reduzieren.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an das Bestimmen der Überlagerungsgenauigkeit unterschiedlicher Materialschichten, die beim Ausrichten dieser Schichten während des Herstellens integrierter Schaltungen erreicht wird. Dazu ist ein zweidimensionales periodisches Muster vorgesehen, dass im Wesentlichen die gleiche Symmetrie in der x- und der y-Richtung aufweist, so dass mit einer einzelnen relativ einfachen Überlagerungsstruktur die Genauigkeit in der x- und der y-Richtung bestimmt werden kann, wobei im Wesentlichen die gleiche Bibliothek an Referenzdaten aufgrund der symmetrischen Gestaltung der Überlagerungsstruktur verwendet werden kann.

Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Struktur zum Bestimmen einer Überlagerungsgenauigkeit mindestens zweier nacheinander gebildeter Muster ein Substrat mit mehreren darauf gebildeten ersten und zweiten Gebieten, wobei die ersten und die zweiten Gebiete so angeordnet sind, um ein periodisches Muster mit einer vordefinierten ersten Periodizität entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung zu bilden. Ferner umfasst die Struktur mehrere dritte Gebiete, die jeweils eines der zweiten Gebiete überlappen, so dass die mehreren dritten Gebiete eine vordefinierte zweite Periodizität entlang der ersten und der zweiten Richtung erzeugen, wobei ein Abstand der dritten Gebiete im Wesentlichen gleich zu einem Abstand des periodischen Musters ist.

Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat mehrere Chipbereiche und mindestens eine Struktur zum Bestimmen einer Überlagerungsgenauigkeit eines ersten Musters und eines zweiten Musters, die auf dem Substrat in räumlicher Beziehung zueinander ausgebildet sind. Die Struktur umfasst mehrere erste und zweite Gebiete, wobei die ersten und die zweiten Gebiete so angeordnet sind, um ein periodisches Muster mit einer vordefinierten ersten Periodizität entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung zu bilden. Mehrere dritte Gebiete sind ferner vorgesehen, die jeweils mit einem der zweiten Gebiete überlappen, so dass die mehreren dritten Gebiete eine vordefinierte zweite Periodizität entlang der ersten und der zweiten Richtung bilden.

Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden eines Halbleiterelements mit einer Struktur zum Bestimmen einer Überlagerungsgenauigkeit das Bilden einer ersten Materialschicht auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei die erste Materialschicht mehrere erste Gebiete einer ersten optischen Eigenschaft und zweite Gebiete einer zweiten optischen Eigenschaft aufweist. Die ersten und die zweiten Gebiete sind so angeordnet, um ein zweidimensionales periodisches Muster mit einer vordefinierten Periodizität entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche sind, zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Justieren des Substrats in Bezug auf eine zweite auf dem Substrat zu bildende Materialschicht und das Bilden der zweiten Materialschicht. Die zweite Materialschicht umfasst mehrere dritte Gebiete, wobei jedes der dritten Gebiete über einem der zweiten Gebiete so liegt, dass eine relative Position des dritten Gebietes in Bezug auf das darunter liegende zweite Gebiet indikativ für die Überlagerungsgenauigkeit der ersten und der zweiten Materialschicht hinsichtlich der ersten und der zweiten Richtung ist.

Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Überwachen einer Überlagerungsgenauigkeit bei der Herstellung eines Elements mit strukturierten Schichten das Identifizieren einer Struktur mit einem zweidimensionalen periodischen Muster, wobei eine Periodizität entlang einer ersten Richtung im Wesentlichen gleich der Periodizität entlang einer zweiten Richtung ist. Die Struktur umfasst ferner ein zweites periodisches Muster, das in einer anderen Materialschicht gebildet ist und eine räumliche Beziehung aufweist, wobei das zweite periodische Muster eine zweite Periodizität entlang der ersten und der zweiten Richtung aufweist, wobei ein Abstand in dem zweiten periodischen Muster im Wesentlichen gleich einem Abstand in dem ersten periodischen Muster ist. Das Verfahren umfasst ferner das Hinlenken eines ersten Lichtstrahls auf die Struktur unter einem Einfallswinkel, so dass ein Teil des ersten Lichtstrahls reflektiert wird, um einen ersten reflektierten Lichtstrahl zu bilden, wobei der erste Lichtstrahl und der erste reflektierte Lichtstrahl eine Einfallsebene definieren, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtung ist. Ferner wird der erste reflektierte Lichtstrahl detektiert, um erste Messdaten zu erhalten, und eine Überlagerungsgenauigkeit hinsichtlich der ersten Richtung wird auf der Grundlage der ersten Messdaten und von Referenzdaten abgeschätzt. Ein zweiter Lichtstrahl wird so unter einem Einfallswinkel auf die Struktur gerichtet, dass ein Teil des zweiten Lichtstrahls reflektiert wird, um einen zweiten reflektieren Lichtstrahl zu bilden, wobei der zweite Lichtstrahl und der zweite reflektierte Lichtstrahl eine Einfallsebene bilden, die im Wesentlichen parallel zu der zweiten Richtung ist. Der zweite reflektierte Lichtstrahl wird dann detektiert, um zweite Messdaten zu erhalten, auf deren Basis eine Überlagerungsgenauigkeit in Bezug auf die zweite Richtung unter Verwendung der Referenzdaten abgeschätzt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Messsystem, das ausgebildet ist, eine Überlagerungsgenauigkeitsmessung gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen;
Fig. 2 schematisch die Anordnung der Messungslichtstrahlen in Bezug auf ein zu untersuchendes Substrat gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3a-3c schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die geeignet ist, um eine Überlagerungsgenauigkeit in zwei senkrechten Richtungen zu bestimmen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detailliert Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Wie zuvor erläutert ist, zeigt ein Lichtstrahl, der von einem periodischen Muster gebeugt wird, eine Größenverteilung hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften des Lichtstrahls, etwa der Polarisationsrichtung, dem Ablenkwinkel, und dergleichen, die stark von den Beugungseigenschaften des periodischen Musters abhängen. Dieses Merkmal wird ausgenutzt, um beispielsweise kritische Dimensionen von Schaltungselementen in einer spezifischen Prozessebene zu überwachen. Durch Kombinieren zweier periodischer Muster, die in unterschiedlichen Materialschichten ausgebildet sind und damit eine gewisse räumliche Beziehung zueinander aufweisen, wird ein kombiniertes periodisches Muster erzeugt, in dem zumindest eine typische Eigenschaft von dem Grad der Justierung, der während der Herstellung der ersten und zweiten periodischen Muster erreicht wird, abhängen kann. Wenn beispielsweise das erste und das zweite periodische Muster so gestaltet sind, dass eine asymmetrische Antwort bei einer Abweichung der Überlagerungsgenauigkeit von einer Sollposition in Bezug auf eine spezifizierte Richtung erhalten wird, kann nicht nur die Größe der Abweichung sondern auch das Vorzeichen der Abweichung in Bezug auf den Sollwert bestimmt werden. Die Antwort eines periodischen Musters auf einen einfallenden Lichtstrahl mit wohl-definierten optischen Eigenschaften hängt von den Merkmalen des periodischen Musters ab und kann aus den grundlegenden physikalischen Gleichungen, die die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie (Maxwell Gleichungen) beschreiben, berechnet werden. Um geringe Unterschiede der überlagerten periodischen Muster herauszufinden, ist ein hohes Maß an Rechenleistung erforderlich und im Allgemeinen werden die Berechnungen im Voraus durchgeführt, um Referenzdaten zu erzeugen, die in sogenannten Bibliotheken gespeichert werden. Jede Bibliothek entspricht einer spezifizierten Art von periodischen Mustern. Es kann daher von großem Vorteil sein, die Möglichkeit zu schaffen, um Messungen für die Überlagerungsgenauigkeit mit einer minimalen Anzahl an Bibliotheken, die für die Messung zu erzeugen sind, durchzuführen.
Mit Bezug zu Fig. 1-3 werden nun anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Messanlage 100, die ausgebildet ist, Messungen der Überlagerungsgenauigkeit von sukzessiv auf den Substrat 101 ausgebildeten Materialschichten durchzuführen. Das Substrat 101 kann eine beliebige Substratart sein, die die aufeinanderfolgende Herstellung von strukturierten Materialschichten erfordert. Es liegt im Bereich dieser Patentanmeldung, dass zwei sukzessiv ausgebildete Materialschichten nicht notwendigerweise zwei unterscheidbare Materialschichten sein müssen, die aufeinandergestapelt sind, etwa ein Halbleitersubstrat mit definierten kleinen Gebieten, auf denen ein neues Material abgeschieden und so strukturiert wird, dass dieses in einer definierten räumlichen Beziehung zu den darunter liegenden kleinen Gebieten steht. Vielmehr kann ein darunter liegendes Material einem weiteren Strukturierungsprozess unterworfen werden, beispielsweise können gewisse Bereiche der Materialschicht geeignet maskiert werden, um implantierte Ionen zu empfangen, um damit dotierte Gebiete in der Materialschicht zu erzeugen. Obwohl daher die Materialschicht mit den dotierten Gebieten als eine einzelne Materialschicht betrachtet werden kann, wird in der vorliegenden Erfindung die anfänglich strukturierte Materialschicht als eine erste Materialschicht und die mehreren dotierten Gebiete, die in der ersten Materialschicht mittels einer Maskenschicht strukturiert wurden, als eine zweite Materialschicht bezeichnet. Das gleiche gilt für beliebige "Teilstrukturen", die in einer anfänglichen strukturierten Materialschicht ausgebildet sind, wie dies beispielsweise beim Ätzen eines weiteren Musters in die anfängliche strukturierte Schicht der Fall ist.
Das Substrat 101 umfasst eine Messstruktur 102 an einer vordefinierten Position auf dem Substrat 101. In einer speziellen Ausführungsform repräsentiert die Messstruktur 102 eine Struktur, die während der diversen Stadien des Herstellens integrierter Schaltungen gebildet wird, so dass die Überlagerungsgenauigkeit während der diversen Prozessschritte überwacht werden kann. Das Substrat 101 kann von einem Substrathalter 103 gehalten werden, wobei der Substrathalter 103 so ausgebildet sein kann, um das Substrat aufzunehmen, zu transportieren und es während der Messung in Position zu halten. Ferner ist eine Lichtquelle 104 vorgesehen und so ausgebildet, um einen Lichtstrahl mit geeigneten optischen Eigenschaften auszusenden, der für Streuungsmessung verwendbar ist. Zu beachten ist, dass der Begriff Lichtstrahl eine beliebige Art von Strahlung innerhalb eines geeigneten Wellenlängenbereichs bezeichnet, und dieser ist somit nicht auf das sichtbare Wellenlängenspektrum eingeschränkt. Insbesondere kann die Lichtquelle 104 so ausgebildet sein, um Strahlung im Ultraviolett-, Infrarot-, Röntgen- und Mikrowellenbereich auszusenden.
Ein Detektor 105 ist so angeordnet, um einen von der Oberfläche des Substrats 101 reflektierten Lichtstrahl zu empfangen. Zu beachten ist, dass verfügbare Messsysteme, etwa ein Ellipsometer und dergleichen, verwendet werden können, um den Substrathalter 103, die Lichtquelle 104 und den Detektor 105 bereitzustellen. Der Detektor 105 ist funktionsmäßig mit einer Steuereinheit 106 gekoppelt, die so ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal von dem Detektor 105 und ein Signal, das Referenzdaten repräsentiert, von der Speichereinrichtung 107 zu empfangen. Die Steuereinheit 106 kann ferner ausgebildet sein, um die von dem Detektor 105 und der Speichereinrichtung 107 erhaltenen Signale zu verarbeiten, um ein Ergebnis bezüglich des Vergleichs des Detektorsignals und der Referenzdaten auszugeben.
Mit Bezug zu Fig. 3 wird nunmehr die Messstruktur 102 detaillierter beschrieben.
Fig. 3a zeigt eine schematische Draufsicht eines Teils der Messstruktur 102. Wie in der Zeichnung gekennzeichnet ist, sind eine erste Richtung, die auch als x-Richtung bezeichnet wird, und eine zweite Richtung, die auch als y-Richtung bezeichnet wird, im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche der Messstruktur 102 definiert. Erste Gebiete 110 und zweite Gebiete 111 sind benachbart zueinander angeordnet, um eine erste Materialschicht - in dem oben definierten Sinne - zu bilden, wobei eine Periodizität, die durch die abwechselnden ersten und zweiten Gebiete 110, 111 entlang der x-Richtung definiert ist, im Wesentlichen gleich zu einer Periodizität ist, die entlang der y-Richtung definiert ist. Die ersten Gebiete 110 und die zweiten Gebiete 111 unterscheiden sich voneinander durch mindestens eine optische Eigenschaft, so dass ein Übergangsgebiet 112 zwischen den ersten und den zweiten Gebieten 110 und 111 definiert ist. Obwohl die ersten und die zweiten Gebiete als Quadrate dargestellt sind, können andere geeignete geometrische Formen gewählt werden, sofern eine Symmetrie, die die x-Richtung auf die y-Richtung abbildet, erreicht wird. In anderen Ausführungsformen können die ersten und die zweiten Gebiete 110, 111 eine gleichmäßige polygonale Form aufweisen, die die erforderliche Symmetrie zeigt, oder sie können von ringförmiger Gestalt sein. Im Hinblick auf das Modellieren der Messstruktur 102, um Referenzdaten zu erzeugen, mag die äußerst symmetrische und einfache Struktur, wie sie in Fig. 3a gezeigt ist, vorteilhaft sein.
In oder auf jedem der zweiten Gebiete 111 ist ein drittes Gebiet 113 gebildet, wobei die mehreren dritten Gebiete 113 eine zweite Materialschicht in dem oben definierten Sinne bilden. Daher können die dritten Gebiete 113 ein unterschiedliches Material repräsentieren, das in dem zweiten Gebiet 111 gebildet ist - beispielsweise durch Auffüllen eines Materials in eine in dem zweiten Gebiet 111 ausgebildete Vertiefung - oder das dritte Gebiet 113 kann ein Gebiet repräsentieren, das sich mindestens in einer Eigenschaft im Vergleich zu dem umgebenden zweiten Gebiet 111 unterscheidet; beispielsweise kann eine Dotierkonzentration des zweiten Gebiets 111 sich von jener des dritten Gebiets 113 unterscheiden, oder es kann ein drittes Gebiet 113 auf dem zweiten Gebiet 111 gebildet sein, wie dies in den Querschnittsansichten der Fig. 3b und 3c gezeigt ist. Die mehreren dritten Gebiete 113 definieren eine zweite Periodizität in der x- und der y-Richtung. Jedes der dritten Gebiete 113 zeigt die gleiche Symmetrie in Bezug auf eine Drehung, die die x-Richtung auf die y-Richtung abbildet, wie die ersten und die zweiten Gebiete. Hinsichtlich der Form der dritten Gebiete 113 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den ersten und zweiten Gebieten 110, 111 dargelegt sind. Die dritten Gebiete 113 können sich von den zweiten Gebieten 111 durch Größe und/oder optische Eigenschaften unterscheiden, um damit ein Übergangsgebiet 114 zu dem zweiten Gebiet 111 zu bilden. In einer speziellen Ausführungsform sind die Abmessungen der dritten Gebiete 113 so gewählt, dass für jede praktisch vorkommende Fehljustierung während der Herstellung der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht das dritte Gebiet 113 das Übergangsgebiet 112 nicht überlappt.
In einer Ausführungsform ist das dritte Gebiet 113 so dimensioniert, dass für einen gegebenen maximalen Überlagerungsfehler und eine gegebene Größe des zweiten Gebiets 111 das Übergangsgebiet 114 auf dem Übergangsgebiet 112 angeordnet ist, wenn der maximale Überlagerungsfehler auftritt.
Fig. 3b zeigt eine Querschnittsansicht entlang der y-Richtung. Pfeile 115 und 116 definieren einen ungefähren Einfallswinkel und einen Reflexionswinkel, so dass eine allgemeine Ausbreitungsrichtung bestimmt ist, die in dem vorliegenden Falle von unten nach oben weist. Folglich weist die erste Materialschicht, die durch die ersten Gebiete 110 und die zweiten Gebiete 111 gebildet ist, in der Ausbreitungsrichtung ein Übergangsgebiet 112B mit einem Wechsel der optischen Eigenschaft des ersten Gebiets 110 zu dem des zweiten Gebiets 111 auf. In ähnlicher Weise zeigt ein Übergangsgebiet 112T einen Wechsel der optischen Eigenschaften mit einer Diskontinuität von dem zweiten Gebiet 111 zu dem ersten Gebiet 110. Beispielsweise kann das erste Gebiet 110 durch einen Abstandsbereich repräsentiert sind, d. h. durch einen vertieften Bereich im Vergleich zu einem Linienbereich, der das zweite Gebiet 111 darstellt. Dies bedeutet, dass der Übergang 112B einen Übergang von der Unterseite des vertieften Gebiets 110 zu der Oberseite des Gebiets 111 darstellt, während das Übergangsgebiet 112T eine Stufe von der Oberseite des Gebiets 111 zu der Unterseite des Gebiets 110 repräsentiert. Wenn daher die Mitte des zweiten Gebiets 111 als Referenzpunkt betrachtet wird, der durch 117 gekennzeichnet ist, bestimmt der Bereich, der sich von dem Referenzpunkt 117 nach unten erstreckt, ein Gebiet A, und der Bereich, der sich von dem Referenzpunkt 117 nach oben erstreckt, bestimmt ein Gebiet B, wobei die Gebiete A und B ein periodisches Muster in der y-Richtung bilden. Die Gebiete A umfassen das Übergangsgebiet 112B, wohingegen die Gebiete B das Übergangsgebiet 112T aufweisen. In Fig. 3b kann ein drittes Gebiet 113, das die zweite Materialschicht bildet, in diesem Beispiel so gestaltet sein, dass ein Überlagerungsfehler von "0" einer Position des dritten Gebiets 113 derart entspricht, dass dessen Mittelpunkt auf dem Referenzpunkt 117 angeordnet ist. Diese andere Wahl für die "0"-Überlagerungsfehlerposition kann auch geeignet sein, wobei jedoch das Anordnen der Mitte des dritten Gebietes 113 an dem Referenzpunkt 117 eine maximale Empfindlichkeit in der positiven und in der negativen Richtung der y-Richtung sicherstellt. Somit ist das Maß der Abweichung des dritten Gebiets 113 in Bezug auf den Referenzpunkt 117, d. h. die Überlagerungsgenauigkeit der zweiten Materialschicht in Bezug auf die erste Materialschicht, mit der Antwort der Gebiete A und B auf den einfallenden Lichtstrahl 115 korreliert. Beispielsweise wird eine Verschiebung des dritten Gebiets 113 in Richtung der allgemeinen Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 115 im Gebiet A einen vergrößerten und bedeckten Bereich des zweiten Gebiets 111 zur Folge haben, wohingegen in Gebiet B der unbedeckte Bereich des zweiten Gebiets 111 verkleinert wird.
In Fig. 3c ist eine Querschnittsansicht entlang der x-Richtung gezeigt. Da die Messstruktur 102 in Bezug auf eine Drehachse, die die x-Richtung auf die y-Richtung abbildet, symmetrisch ist, gelten die Erläuterungen, die in Bezug auf Fig. 3b dargelegt wurden, in analoger Weise für die Fig. 3c. In dieser Ansicht entsprechen die Übergangsgebiete 112L, 112R den Übergangsgebieten 112B, 112T. Es ist somit offensichtlich, dass eine Verschiebung der dritten Gebiete 113 in der x- und/oder y-Richtung zu einer entsprechenden Änderung der Gebiete A und B (oder A' und B') führt, und damit die Antwort auf einen Lichtstrahl beeinflusst, dessen Einfallsebene parallel zu der entsprechenden Richtung ist. Das heißt, ein Lichtstrahl, der sich entsprechend den Pfeilen 115 und 116 ausbreitet, wird durch eine Verschiebung entlang der y-Richtung beeinflusst und der resultierende reflektierte Strahl 116 enthält Information über die Größe sowie über das Vorzeichen der Verschiebung. In ähnlicher Weise wird ein Lichtstrahl, der entlang dem Pfeil 115' einfällt und der entlang dem Pfeil 116' reflektiert wird, von einer Verschiebung entlang der x-Richtung beeinflusst, und der reflektierte Lichtstrahl 116' enthält Informationen hinsichtlich der Größe und des Vorzeichens der Verschiebung in der x-Richtung.
Wie ferner aus Fig. 3a ersichtlich ist, sind die Verschiebungen in der x-Richtung und der y-Richtung im Wesentlichen voneinander unabhängig, da beispielsweise eine Verschiebung in der y-Richtung im Wesentlichen die Eigenschaften der Messstruktur 102 für einen Lichtstrahl mit einer Einfallsebene parallel zu der x-Richtung nicht beeinflusst.
Während des Betriebs des Messsystems 100 in Fig. 1 emittiert die Lichtquelle 104 den Lichtstrahl 115, wobei das Substrat 101 so orientiert ist, dass der Strahl 115 so auf die Messstruktur 102 auftrifft, dass eine Einfallsebene, die durch den Strahl 115 und den reflektierten Strahl 116 definiert ist, im Wesentlichen parallel zu der y-Richtung ist. Wie zuvor erläutert ist, trägt der reflektierte Lichtstrahl 116 die Information, die sich auf die Überlagerungsgenauigkeit gemäß der y-Richtung bezieht, und das Ausgangssignal des Detektors 105, die diese Information ebenso enthält, wird der Steuereinheit 106 zugeleitet. In der Steuereinheit 106 wird das Ausgangssignal des Detektors 105 mit Referenzdaten verglichen, die in der Speichereinrichtung 107 vorgesehen sind, um das Ergebnis der Überlagerungsmessung hinsichtlich der y-Richtung auszugeben. Abhängig von der Art der Messanlage 100 wird der Lichtstrahl 115 so auf die Messstruktur 102 gelenkt, dass die Einfallsebene, die durch den Strahl 115' und den reflektierten Strahl 116' definiert ist, im Wesentlichen parallel zu der x-Richtung ist. Dies kann erreicht werden, indem der Substrathalter 103 und/oder die Lichtquelle 104 und der Detektor 105 gedreht werden. Wenn die Messanlage 100 mit Vorrichtungen ausgestattet ist, die das Bereitstellen der Lichtstrahlen 115 und 115' in simultaner Weise und das Erfassen der reflektierten Lichtstrahlen 116 und 116' in simultaner Weise gestatten, dann ist die Steuereinheit 106 vorzugsweise so ausgebildet, um die Ausgangssignale, die zu den reflektierten Lichtstrahlen 116 und 116' gehören, gleichzeitig zu empfangen.
Fig. 2 zeigt schematisch die räumliche Beziehung zwischen den Lichtstrahlen 115, 115' und den reflektierten Lichtstrahlen 116 und 116' und der Messstruktur 102. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, definieren der Lichtstrahl 115 und der reflektierte Lichtstrahl 116, der Informationen hinsichtlich der optischen Eigenschaften der Messstruktur 102 entlang der y-Richtung enthält, eine erste Einfallsebene 120, wohingegen der Lichtstrahl 115' und der entsprechende reflektierte Lichtstrahl 116', der die optischen Eigenschaften der Messstruktur 102 entlang der x-Richtung detektiert, eine zweite Einfallsebene 130 definieren. Vorzugsweise werden die Lichtstrahlen 115 und 115' so auf die Messstruktur 102 gelenkt, dass diese im Wesentlichen sich an einem einzelnen Punkt 104 an der Oberfläche der Messstruktur 102 schneiden. Zu beachten ist, dass in Wirklichkeit die Lichtstrahlen 115 und 115' einen Lichtfleck auf der Messstruktur 102 erzeugen, dessen Größe von den optischen Eigenschaften der Lichtquelle 104 abhängt. Typischerweise liefert die Lichtquelle 104 Lichtstrahlen 115, 115' mit einem Fleckdurchmesser an der Oberfläche der Messstruktur 102, der deutlich innerhalb der durch die Messstruktur 102 gebildeten periodischen Muster liegt, so dass im Wesentlichen die gesamte Fläche des Lichtflecks, der durch die Strahlen 115, 115' gebildet wird, zur Messung beiträgt, ohne ungebührlich Randeffekte zu erzeugen, die auftreten, wenn die Lichtstrahlen 115, 115' die Abmessungen der Messstruktur 102 übersteigen würden. Wie zuvor erwähnt ist, können, wenn die Messanlage 100 geeignet ausgestattet ist, die Lichtstrahlen 115, 115' gleichzeitig emittiert und die reflektierten Lichtstrahlen 116 und 116' gleichzeitig detektiert werden. Ansonsten ist ein zusätzlicher Justierschritt erforderlich nach dem Drehen des Substrats 101 oder der Lichtquelle und des Detektors 104, 105 von der x-Richtung zu der y-Richtung und umgekehrt.
Folglich erlaubt es die vorliegende Erfindung, die Überlagerungsgenauigkeit mit einer einzelnen Messstruktur mit hoher Einfachheit zu bestimmen, so dass eine Erzeugung einer entsprechenden Bibliothek relativ einfach ist, und wobei im Wesentlichen die gleiche Bibliothek für beide Richtungen aufgrund der hohen Symmetrie der periodischen Muster verwendbar ist. Ferner ist eine einzelne Messstruktur ausreichend, um die Überlagerungsgenauigkeit in zwei linear unabhängigen Richtungen zu bestimmen, wodurch Chipfläche gespart wird.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat 101 mehrere Chipgebiete, die durch Schnittlinien getrennt sind, wobei die Messstruktur zumindest in einer Schnittlinie angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Schaltungsmuster identifiziert werden, das näherungsweise eine Periodizität und Symmetrie in der oben beschriebenen Weise aufweist. Dieses Muster kann dann verwendet werden, um die Überlagerungsgenauigkeit zu bestimmen, ohne dass der Entwurf spezieller Lithografiemasken mit spezifischen Messstrukturen erforderlich ist.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann offenkundig angesichts dieser Beschreibung. Folglich ist diese Beschreibung lediglich als anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

1. Struktur zum Abschätzen einer Überlagerungsgenauigkeit bei der Herstellung aufeinanderfolgender Materialschichten auf einem Substrat, wobei die Struktur umfasst:
ein Substrat mit darauf gebildeten mehreren ersten und zweiten Gebieten, wobei die ersten und die zweiten Gebiete so angeordnet sind, um ein periodisches Muster mit einer vordefinierten ersten Periodizität entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung zu bilden; und
mehrere dritte Gebiete, die jeweils auf einem der zweiten Gebiete so liegen, dass diese eine vordefinierte zweite Periodizität zeigen, mit einem Abstand, der im Wesentlichen gleich einem Abstand des periodischen Musters entlang der ersten und der zweiten Richtung ist.

2. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die Größe der ersten, der zweiten und der dritten Gebiete so gewählt ist, dass jedes dritte Gebiet innerhalb des entsprechenden zweiten Gebiets für eine gegebene maximale Überlagerungsungenauigkeit liegt.

3. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei jedes der ersten, zweiten und dritten Gebiete von einem Randgebiet umschlossen ist.

4. Die Struktur nach Anspruch 3, wobei das Randgebiet eine kreisförmige Gestalt oder eine regelmäßige polygonale Gestalt definiert.

5. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei das erste Gebiet und das zweite Gebiet sich in der Materialart und/oder der Oberflächentopologie unterscheiden.

6. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die ersten und die dritten Gebiete sich voneinander durch die Materialart und/oder eine Oberflächentopologie unterscheiden.

7. Die Struktur nach Anspruch 1, wobei die ersten und die zweiten Gebiete im Wesentlichen gleich große Quadrate sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements mit einer Struktur zum Bestimmen einer Überlagerungsgenauigkeit, wobei das Verfahren umfasst:
Bilden einer ersten Materialschicht auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei die erste Materialschicht mehrere erste Gebiete einer ersten optischen Eigenschaft und mehrere zweite Gebiete einer zweiten optischen Eigenschaft aufweist, wobei die ersten und die zweiten Gebiete so angeordnet sind, um ein zweidimensionales periodisches Muster mit einer vordefinierten Periodizität entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche sind, zu bilden;
Justieren des Substrats in Bezug auf eine zweite zu bildende Materialschicht; und
Bilden der zweiten Materialschicht, wobei die zweite Materialschicht mehrere dritte Gebiete aufweist, die jeweils teilweise ein entsprechendes der zweiten Gebiete bedecken, wobei eine relative Position des dritten Gebiets in Bezug auf das zweite Gebiet für die Überlagerungsgenauigkeit der ersten und der zweiten Materialschicht in Bezug auf die erste und die zweite Richtung kennzeichnend ist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Größe der ersten, der zweiten und der dritten Gebiete so gewählt ist, das jedes dritte Gebiet innerhalb des entsprechenden zweiten Gebiets für eine gegebene maximale Überlagerungsungenauigkeit gebildet ist.

10. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei jedes der ersten, zweiten und dritten Gebiete von einem Randgebiet umschlossen ist, das eine Form definiert, die symmetrisch in Bezug auf eine Transformation ist, die die erste Richtung in die zweite Richtung überführt.

11. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ersten und die zweiten Gebiete sich voneinander in der Materialart und/oder der Oberflächentopologie unterscheiden.

12. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweiten und die dritten Gebiete sich voneinander in der Materialart und/oder der Oberflächentopologie unterscheiden.

13. Verfahren zum Überwachen einer Überlagerungsgenauigkeit bei der Herstellung eines Halbleiterelements, wobei das Verfahren umfasst:
Identifizieren einer Struktur mit mehreren ersten und zweiten Gebieten, wobei die ersten und die zweiten Gebiete so angeordnet sind, um ein periodisches Muster mit einer vordefinierten ersten Periodizität entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und mit mehreren dritten Gebieten, von denen jedes einem der zweiten Gebiete überlagert ist, so dass eine vordefinierte zweite Periodizität entlang der ersten und der zweiten Richtung auftritt;
Lenken eines ersten Lichtstrahls auf die Struktur unter einem Einfallswinkel derart, dass ein Teil des ersten Lichtstrahls reflektiert wird, um einen ersten reflektierten Lichtstrahl zu bilden, wobei der erste Lichtstrahl und der erste reflektierte Lichtstrahl eine Einfallsebene bilden, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtung ist;
Detektieren des erste reflektierten Lichtstrahls, um erste Messdaten zu erhalten;
Abschätzen einer Überlagerungsgenauigkeit in Bezug auf die erste Richtung auf der Grundlage der ersten Messdaten und der Referenzdaten;
Lenken eines zweiten Lichtstrahls auf die Struktur unter einem Einfallswinkel derart, dass ein Teil des zweiten reflektierten Lichtstrahls reflektiert wird, um einen zweiten reflektieren Lichtstrahl zu bilden, wobei der zweite Lichtstrahl und der zweite reflektierte Lichtstrahl eine Einfallsebene bilden, die im Wesentlichen parallel zu der zweiten Richtung ist;
Detektieren des zweiten reflektierten Lichtstrahls, um zweite Messdaten zu erhalten; und
Abschätzen einer Überlagerungsgenauigkeit in Bezug auf die zweite Richtung auf der Grundlage der zweiten Messdaten und der Referenzdaten.

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl im Wesentlichen gleichzeitig auf die Struktur gelenkt werden.

15. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Lenken des zweiten Lichtstrahls Drehen des Substrats und/oder einer Lichtquelle umfasst.

16. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Referenzdaten beim Abschätzen einer Überlagerungsgenauigkeit in Bezug auf die erste Richtung im Wesentlichen die gleichen sind, wie für das Abschätzen einer Überlagerungsgenauigkeit in Bezug auf die zweite Richtung.

17. Substrat mit mehreren Chipflächen und mindestens einer Struktur mit mehreren ersten und zweiten Gebieten, wobei die ersten und die zweiten Gebiete so angeordnet sind, um ein periodisches Muster mit einer vordefinierten ersten Periodizität entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und mehreren dritten Gebieten, die jeweils einem der zweiten Gebiete überlagert sind, so dass eine vordefinierte zweite Periodizität entlang der ersten und der zweiten Richtung auftritt.

18. Das Substrat nach Anspruch 17, wobei zumindest einige der Chipflächen voneinander durch Schneidelinien getrennt sind und wobei mindestens eine Struktur in mindestens einer der Schneidelinien angeordnet ist.

19. Das Substrat nach Anspruch 18, wobei die mindestens eine Struktur in mindestens einer Chipfläche angeordnet ist.